基于數(shù)據(jù)分類(lèi)和最小時(shí)延的LWA網(wǎng)絡(luò)流量控制算法

閆 偉，徐 浪，申 濱

(重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 40065)

0 引 言

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)和移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的不斷迭代更新，越來(lái)越多的用戶(hù)終端接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，因此，移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量將呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)所提供的系統(tǒng)容量以及速率已經(jīng)很難滿(mǎn)足新興產(chǎn)業(yè)和巨大流量的需求。研究表明，在未來(lái)幾年內(nèi)，移動(dòng)業(yè)務(wù)量將增長(zhǎng)近1 000倍[1]。為滿(mǎn)足大容量和高速率的需求，大量新技術(shù)與解決方案被提出來(lái)，如毫米波、大規(guī)模多輸入多輸出(multiple-input multiple-output，MIMO)、密集異構(gòu)蜂窩網(wǎng)等[2-6]。目前，有效減輕長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution, LTE)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載、增加系統(tǒng)容量和提高網(wǎng)絡(luò)傳輸速率對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。將LTE網(wǎng)絡(luò)同IEEE 802.11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(wireless local area network, WLAN) 融合，已經(jīng)成為一種比較合理的方案。WLAN網(wǎng)絡(luò)不僅擁有低成本大量部署的接入點(diǎn)而且還有大量空閑的頻譜，有利于減輕LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，增加系統(tǒng)容量和提高頻譜利用率。融合WLAN網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)組成LWA(LTE WLAN aggregation)網(wǎng)絡(luò)，且WLAN網(wǎng)絡(luò)的基站必須為運(yùn)營(yíng)商所部署的基站，其目的是將部分LTE網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通過(guò)WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)経E，以達(dá)到減輕eNB負(fù)載與增加系統(tǒng)容量的目的[7]。與非授權(quán)頻道LTE(LTE in unlicensed spectrum, LTE-U)系統(tǒng)不同的是，LWA利用與WLAN網(wǎng)絡(luò)不同的技術(shù)體制和用戶(hù)接入點(diǎn)選擇方案，所以并不需要擔(dān)心強(qiáng)占資源所帶來(lái)的一系列問(wèn)題。目前，LWA被認(rèn)為是解決系統(tǒng)容量與移動(dòng)數(shù)據(jù)速率有效的技術(shù)之一[8]。

LWA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)帶來(lái)巨大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也引入了一些問(wèn)題與技術(shù)挑戰(zhàn)，例如網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)選擇、流量控制等。LWA網(wǎng)絡(luò)中流量控制主要指eNB的PDCP層數(shù)據(jù)包的分配，數(shù)據(jù)包被封裝成PDCP協(xié)議數(shù)據(jù)單元(protocol data unit, PDU)，具體分配過(guò)程如圖1[9-10]。例如將PDCP層的數(shù)據(jù)包分割為8個(gè)PDU，其中PDU序列為1，2，5，7通過(guò)eNB傳輸U(kuò)E，序列為3，4，6，8的PDU通過(guò)AP傳輸?shù)経E，最后在UE的PDCP層進(jìn)行排序重組。在LWA網(wǎng)絡(luò)中，需要被分配的PDU數(shù)量隨時(shí)間變化而變化。當(dāng)LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，需要分配資源的數(shù)量較大，說(shuō)明請(qǐng)求業(yè)務(wù)的UE數(shù)目越多，則可能會(huì)出現(xiàn)PDU分配不公平現(xiàn)象。若一直將PDU分配給LTE或者WLAN網(wǎng)絡(luò)，則會(huì)給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)巨大的負(fù)載，難以為UE提供可靠的服務(wù)質(zhì)量(quality of service,QoS)需求，同時(shí)還可能帶來(lái)業(yè)務(wù)阻塞、能耗增加等問(wèn)題[11]。

圖1 LWA網(wǎng)絡(luò)中PDCP層PDU分配Fig.1 PDCP layer PDU allocation in LWA network

針對(duì)LWA網(wǎng)絡(luò)流量控制，為了保證UE 的QoS需求，文獻(xiàn)[12]提出了一種基于LTE網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)鏈路聚合方案。以保證UE速率為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)不同的流量控制方案，如將在LTE網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)速率未達(dá)到要求的UE轉(zhuǎn)移到WLAN小區(qū)、將服務(wù)速率未達(dá)到要求的UE轉(zhuǎn)移到LWA小區(qū)、將服務(wù)速率達(dá)到要求的UE轉(zhuǎn)移到LWA小區(qū)、將服務(wù)速率未達(dá)到要求的UE和服務(wù)速率達(dá)到要求的UE都轉(zhuǎn)移到LWA小區(qū)、轉(zhuǎn)移在WLAN信道占用率最小的UE到WLAN小區(qū)等方案。通過(guò)性能的對(duì)比，總是選擇一個(gè)性能最好的方案進(jìn)行流量控制。將服務(wù)速率未達(dá)到要求的UE和服務(wù)速率達(dá)到要求的UE轉(zhuǎn)移到不同小區(qū)中，可有效地減少速率未達(dá)到要求的用戶(hù)數(shù)目，提升系統(tǒng)的性能并增加吞吐量。但存在吞吐量提升不明顯且時(shí)延較大的問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]提出一種基于網(wǎng)絡(luò)最小時(shí)延的流量控制算法，以時(shí)延作為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)評(píng)判2種不同網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延，總是選擇時(shí)延較小的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的傳輸，可有效地提高系統(tǒng)吞吐量并且減少傳輸時(shí)延，但是提升效果一般且公平性較差。為了得到更好的公平性，文獻(xiàn)[14]提出一種基于模式選擇和承載調(diào)度機(jī)制的算法。首先根據(jù)是否使用承載將小區(qū)的UE分為3種情況，即無(wú)承載可用、承載只供LWA網(wǎng)絡(luò)使用、承載可供LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)使用，以此達(dá)到系統(tǒng)最大化吞吐量的目的。在流量控制時(shí)，對(duì)LWA網(wǎng)絡(luò)中不同網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)延評(píng)估，總是選擇時(shí)延較小的網(wǎng)絡(luò)傳輸PDU。此方案可以很好地協(xié)調(diào)流量控制問(wèn)題，提高了流量控制公平性和系統(tǒng)的吞吐量，但復(fù)雜度較高。以上都是基于PDCP層的融合流量控制方案，文獻(xiàn)[15]創(chuàng)新性提出了基于無(wú)線(xiàn)鏈路層控制協(xié)議(radio link control, RLC)層融合流量控制方案，其先決條件為eNB和訪(fǎng)問(wèn)接入點(diǎn)(access point, AP)需要集成在一個(gè)終端。通過(guò)在RLC層附近設(shè)置虛擬調(diào)度器來(lái)協(xié)調(diào)WLAN網(wǎng)絡(luò)的資源傳輸，考慮信道質(zhì)量指示(channel quality indicator, CQI)和負(fù)載2個(gè)因素，其主要方案為最小CQI優(yōu)先傳輸方案、最大CQI優(yōu)先傳輸方案、在RLC層緩沖區(qū)緩存最大優(yōu)先傳輸方案、在RLC層緩沖區(qū)緩存最大且具有最大CQI傳輸方案、在RLC緩沖區(qū)緩存最大且具有最小CQI傳輸方案5種流量控制方案。由于采取了獨(dú)特的RLC層融合設(shè)計(jì)，此方案不僅在吞吐量而且在時(shí)延、公平性方面都能夠取得很好的性能，但實(shí)現(xiàn)難度高。

本文針對(duì)當(dāng)前LWA網(wǎng)絡(luò)流量控制方案主要存在系統(tǒng)吞吐量不足、單一性選擇某個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包造成的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延過(guò)大以及PDU分配不公平問(wèn)題，提出一種基于數(shù)據(jù)分類(lèi)和最小時(shí)延(data classification and minimum delay, DCMD)的LWA網(wǎng)絡(luò)流量控制算法。所提算法通過(guò)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延值，可快速有效地選擇不同網(wǎng)絡(luò)傳輸PDU。首先，根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)時(shí)延敏感程度對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分類(lèi)；其次，利用時(shí)延評(píng)估機(jī)制對(duì)不同接入點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)延評(píng)估；最后，對(duì)比LTE和WLAN網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延值，總是選擇時(shí)延最小的網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)，時(shí)延較大的網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延不敏感業(yè)務(wù)。仿真表明，所提算法可以有效提高LWA網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，降低數(shù)據(jù)傳輸完成時(shí)延，增加PDU分配的公平性并提高用戶(hù)能量效率。

1.系統(tǒng)模型

1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

考慮一個(gè)需要進(jìn)行PDU分配的LWA網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)置SL={b1,b2,…,bN}表示LTE網(wǎng)絡(luò)eNBs集合，滿(mǎn)足：‖SL‖0=N，其中‖*‖0表示向量0范數(shù)；SW={a1,a2,…,aM}表示W(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò)中APs待選集，滿(mǎn)足：‖SW‖0=M；U={u1,u2,…,uK}表示LWA網(wǎng)絡(luò)中UE集合且滿(mǎn)足：‖U‖0=K。設(shè)置bi表示LTE網(wǎng)絡(luò)基站eNBbi，且bi∈SL；aj表示W(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò)基站APaj，且aj∈SW；uk表示第k個(gè)UE，且k∈U。

由此建立系統(tǒng)吞吐量?jī)?yōu)化目標(biāo)

(1)

(1)式中：Csum表示系統(tǒng)內(nèi)所有UE的吞吐量的總和；ci,j,k表示在LWA網(wǎng)絡(luò)中uk同時(shí)連接eNBbi和APaj所獲得的吞吐量，其中，θi,j,k表示指示函數(shù)，表示uk與eNBbi和APaj同時(shí)連接，θi,j,k∈{0,1}，1表示uk同時(shí)與eNBbi和APaj連接，0表示uk只與eNBbi或者APaj連接。

由于使用不同網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，由此可將優(yōu)化目標(biāo)分解為

(2)

(2)式中：ci,k表示uk在與LTE網(wǎng)絡(luò)eNBbi相連接所獲得的吞吐量；θi,k表示uk與eNBbi相連接且θi,k∈{0,1}，1表示uk與eNBbi相連接，0表示uk與eNBbi未連接。cj,k表示uk在與WLAN網(wǎng)絡(luò)APaj相連接所獲得的吞吐量，θj,k表示uk與APaj相連接且θj,k∈{0,1}，1表示uk與APaj相連接，0表示uk與APaj未連接。

對(duì)于uk接入LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其吞吐量ci,k為

ci,k=BLlb(1+γbi,uk)

(3)

(3)式中：BL代表uk所占用的LTE網(wǎng)絡(luò)信道帶寬；γbi,uk為uk所選擇LTE網(wǎng)絡(luò)的SINR值

(4)

(4)式中：Pbi表eNBbi發(fā)射功率；Gbi,uk表示為eNBbi與UEuk之間的信道增益，包括路徑損耗和陰影衰落等；N0表示噪聲功率譜密度。

對(duì)于UEk使用WLAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，用戶(hù)以競(jìng)爭(zhēng)方式傳輸數(shù)據(jù)，但此方式容易發(fā)生碰撞。WLAN網(wǎng)絡(luò)采用載波偵聽(tīng)多址/沖突避免(carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA/CA)機(jī)制可以很好處理各站點(diǎn)傳輸碰撞。當(dāng)UEk與APaj相連接時(shí)，其平均傳輸時(shí)長(zhǎng)可以表示為[16-17]

E[Tst]=PrtrPrs(1-Prf)Ts+Prtr(1-Prs)Tc+

PrtrPrsPrfTe+(1-Prtr)Tδ

(5)

(5)式中：Ts，Tc，Te，Tδ分別表示傳輸成功、發(fā)生碰撞、傳輸錯(cuò)位和空閑時(shí)隙的平均時(shí)長(zhǎng)；Prf表示為傳輸失敗的概率；Prtr表示站點(diǎn)處于傳輸狀態(tài)的概率；Prs表示站點(diǎn)傳輸成功的概率，可表示為

Prtr=1-(1-τ)M

(6)

Prs=Mτ(1-τ)M-1/Prtr

(7)

(6)—(7)式中，τ表示一個(gè)AP站點(diǎn)發(fā)生一次數(shù)據(jù)包傳輸?shù)母怕省?/p>

通過(guò)分析，當(dāng)WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸一個(gè)E[L]bit長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包時(shí)，可以得出UEk使用WLAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，其吞吐量cj,k為

(8)

在通信系統(tǒng)中，公平性通常反映UE獲得吞吐量的公平程度，用Jain公平指數(shù)來(lái)評(píng)估當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的公平性，根據(jù)式(1)可將Jain公平指數(shù)定義為

(9)

1.2 問(wèn)題公式化

LWA的核心目標(biāo)為減輕LTE網(wǎng)絡(luò)基站的負(fù)載同時(shí)增加整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。由此可以將此問(wèn)題視為優(yōu)化問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為效用函數(shù)，求其最值即可，由此可建模

(10)

C3:θi,j,k∈{0,1}

C4:θi,k∈{0,1}

C5:θj,k∈{0,1}

(10)式中：C1—C2表示用戶(hù)分別連接于LTE和WLAN網(wǎng)絡(luò)的吞吐量限制；CLTE和CWLAN分別表示LTE網(wǎng)絡(luò)和WLAN網(wǎng)絡(luò)的容量限制，這里指所能承載的最大負(fù)載數(shù)。C3—C5表示用戶(hù)與LTE和WLAN都連接、只與LTE網(wǎng)絡(luò)連接以及只與WLAN網(wǎng)絡(luò)連接的指示函數(shù)。ci,j,k為L(zhǎng)WA網(wǎng)絡(luò)中UEk與eNBbi和APaj都連接所獲得的吞吐量，U(·)表示關(guān)于UE吞吐量的效用函數(shù)。利用α公平效用函數(shù)，定義其為

(11)

根據(jù)文獻(xiàn)[18—19]，UE使用LTE網(wǎng)絡(luò)能耗分為基本的固定功耗PLf,k、傳輸功耗PLt,k和接收功耗PLr,k，則單個(gè)UE使用LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)的總功耗為

PL,k=PLf,k+PLt,k+PLr,k

(12)

與LTE網(wǎng)絡(luò)不同，UE使用WLAN網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)之前，需要對(duì)信道進(jìn)行檢測(cè)，采用載波監(jiān)聽(tīng)多直接入/碰撞避免(CSMA/CA)技術(shù)，所以使用WLAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)應(yīng)的能耗除了基本的固定功耗PWf,k、傳輸功耗PWt,k和接收功耗PWr,k，以及監(jiān)聽(tīng)功耗PWm,k。因此，LWA網(wǎng)絡(luò)中APbj總功耗PW,k為

PW,k=PWf,k+PWt,k+PWr,k+PWm,k

(13)

基于上述分析，為了在降低系統(tǒng)能耗的同時(shí)提高系統(tǒng)的能效，可以將LWA網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)吞吐量與UE總能耗的比值定義為用戶(hù)能效函數(shù)η為

(14)

s.t.C1—C5

該能效最大化問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為求解用戶(hù)最大吞吐量問(wèn)題，即通過(guò)選擇合適的方案來(lái)控制PDU的傳輸使得用戶(hù)獲得最大能效。

2 基于DCMD的LWA流量控制算法

2.1 數(shù)據(jù)分類(lèi)

每個(gè)UE的業(yè)務(wù)種類(lèi)存在區(qū)別，并且不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型對(duì)QoS有不同的需求。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，QoS主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)有：延遲、數(shù)據(jù)速率、抖動(dòng)、誤碼率、比特率、響應(yīng)時(shí)間、帶寬。延遲主要指：發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)包到接收端接收到這個(gè)數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔。根據(jù)目前業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延的要求，對(duì)業(yè)務(wù)分為四大類(lèi)，其主要為會(huì)話(huà)類(lèi)、流類(lèi)、交互類(lèi)和背景類(lèi)[20]，如表1。

表1 基于時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分類(lèi)

1)第1類(lèi)業(yè)務(wù)。會(huì)話(huà)類(lèi)，主要指無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)交流信息的業(yè)務(wù)，其特征為實(shí)時(shí)性，端到端的時(shí)延小。因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延有著嚴(yán)格限制的要求，主要有語(yǔ)音、手游、IP電話(huà)、視頻電話(huà)等。

2)第2類(lèi)業(yè)務(wù)。流類(lèi)，主要指視頻流與音頻流等流媒體業(yè)務(wù)，其特征為單向傳輸，且不需要與服務(wù)器進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)性比會(huì)話(huà)類(lèi)弱。因此，對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延有限制的要求，主要指音樂(lè)與視頻。

(3)第3類(lèi)業(yè)務(wù)。即交互類(lèi)，主要指用戶(hù)與服務(wù)器之間業(yè)務(wù)的請(qǐng)求與響應(yīng)，其主要特征為請(qǐng)求響應(yīng)模式。因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延要求比較寬松，主要有地圖導(dǎo)航、web瀏覽、數(shù)據(jù)庫(kù)檢索、機(jī)器之間的交互、電子商務(wù)等。

4)第4類(lèi)業(yè)務(wù)。背景類(lèi)，主要指后臺(tái)的email接收，文件下載，協(xié)議傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)。其特征為用戶(hù)對(duì)傳輸時(shí)延沒(méi)有特別的要求，其主要的業(yè)務(wù)有協(xié)議、電子郵件、手機(jī)下載、傳真等。

根據(jù)文獻(xiàn)[21]對(duì)用戶(hù)行為的數(shù)據(jù)調(diào)查，在下行傳輸中，交互類(lèi)業(yè)務(wù)占主導(dǎo)地位，大部分下行傳輸流量都屬于交互類(lèi)業(yè)務(wù)。為了順利地傳輸數(shù)據(jù)PDU數(shù)據(jù)包，需要對(duì)分類(lèi)后數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，用D1,i表示第1類(lèi)業(yè)務(wù)第i個(gè)數(shù)據(jù)包的包長(zhǎng)；D2,i表示第2類(lèi)業(yè)務(wù)第i個(gè)數(shù)據(jù)包的包長(zhǎng)；D3,i表示第3類(lèi)業(yè)務(wù)第i個(gè)數(shù)據(jù)包的包長(zhǎng)；D4,i表示第4類(lèi)業(yè)務(wù)第i個(gè)數(shù)據(jù)包的包長(zhǎng)。為了評(píng)估不同網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的準(zhǔn)確性，這里需要將PDU的大小進(jìn)行處理，考慮公平性，在評(píng)估時(shí)延過(guò)程中，定義PDU平均包長(zhǎng)為

(15)

同時(shí)為了增加后續(xù)過(guò)程中業(yè)務(wù)時(shí)延的可靠性，并增加預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)包，取最大數(shù)據(jù)包值，定義為

D*=MAX{D1,i,D2,i,D3,i,D4,i}

(16)

2.2 網(wǎng)絡(luò)時(shí)延評(píng)估

為了減少PDCP層PDU傳輸?shù)経E的時(shí)間，選擇時(shí)延最小流量控制的準(zhǔn)則。所提算法首先需要針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)鏈路，評(píng)估PDU從eNB分離到達(dá)到UE的時(shí)延值(稱(chēng)為鏈路延遲)；其次選擇時(shí)延值最小的網(wǎng)絡(luò)鏈路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。對(duì)于一個(gè)PDU從eNB到UE所需要的時(shí)間，可以使用利特爾法則進(jìn)行評(píng)估[22]。此時(shí)延主要取決于網(wǎng)絡(luò)鏈路的容量和延遲，包括鏈路上排隊(duì)數(shù)量和外部因素(如LTE網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)連接通道的Xw所帶來(lái)的時(shí)延值)。根據(jù)利特爾法則，在任意一個(gè)穩(wěn)定的排隊(duì)系統(tǒng)中，其時(shí)延δ可以計(jì)算為：δ=B/R，其中，B在系統(tǒng)中平均排隊(duì)比特?cái)?shù)，R表示系統(tǒng)平均速率。

2.2.1LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

根據(jù)上面的思想，當(dāng)選擇LTE鏈路時(shí)，LTE網(wǎng)絡(luò)中平均排隊(duì)比特?cái)?shù)應(yīng)由3部分組成：PDUsize即數(shù)據(jù)包平均大小、EL即LTE緩沖區(qū)排隊(duì)比特?cái)?shù)、D*即預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)包大小。傳輸單個(gè)PDU所用時(shí)延值由下面3部分組成。

(17)

(17)式中，RL表示LTE所能提供的速率。對(duì)于LTE網(wǎng)絡(luò)初始速率，可以通過(guò)發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包進(jìn)行測(cè)量，其定義為

(18)

(18)式中：DACKL表示ACK數(shù)據(jù)包的包長(zhǎng)；ΔTL表示傳輸ACK數(shù)據(jù)包所消耗的時(shí)間。

2.2.2WLAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)延

同上，當(dāng)選擇WLAN鏈路時(shí)，WLAN網(wǎng)絡(luò)中平均排隊(duì)比特?cái)?shù)應(yīng)有3部分組成：PDUsize即數(shù)據(jù)包平均大小、EW即W2.2LAN緩沖區(qū)排隊(duì)比特?cái)?shù)、D*即預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)包大小。傳輸單個(gè)PDU所用時(shí)延值構(gòu)成同樣由下面3部分組成。

(19)

(19)式中，RW表示W(wǎng)LAN網(wǎng)絡(luò)提供的速率。由于eNB和AP之間鏈路存在Xw通道，其同樣會(huì)帶來(lái)時(shí)延即dXw，所以在第二部分時(shí)延值中，選擇Xw通道時(shí)延與緩沖區(qū)帶來(lái)時(shí)延的最大值。對(duì)于WLAN網(wǎng)絡(luò)初始速率，可以通過(guò)發(fā)送ACK數(shù)據(jù)包進(jìn)行測(cè)量，其定義為

(20)

(20)式中，DACKW表示ACK數(shù)據(jù)包的包長(zhǎng);ΔTw表示傳輸ACK數(shù)據(jù)包消耗的時(shí)間。

2.3 基于DCMD的流量控制算法

假設(shè)在傳輸PDCP層PDU之前，各網(wǎng)絡(luò)的速率值已經(jīng)測(cè)量并保存至網(wǎng)絡(luò)端。在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)過(guò)程中，eNB與AP需要周期性地向網(wǎng)絡(luò)端上報(bào)自身的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。若LTE網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大于某個(gè)限定值，則開(kāi)啟LWA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)的操作；若低于該值則不采取LWA相關(guān)操作，具體地上報(bào)信息反饋時(shí)序如圖2。

圖2 開(kāi)啟LWA網(wǎng)絡(luò)時(shí)序圖Fig.2 Open LWA network timing diagram

根據(jù)上述分析，基于時(shí)延分類(lèi)及最小時(shí)延的流量控制方案的具體步驟如下。

(21)

(22)

bi∈SL;aj∈SW

(23)

算法1：基于負(fù)載信息上報(bào)的LWA初始化算法

Fori=1:1:N

Else

Forj=1:1:M

Else

End If

End For

End If

End For

Step2利用算法1對(duì)LWA網(wǎng)絡(luò)中新增加的數(shù)據(jù)流進(jìn)行分類(lèi)，并根據(jù)分類(lèi)的原則，用D1,i表示第1類(lèi)業(yè)務(wù)第i個(gè)數(shù)據(jù)包的包長(zhǎng)，D2,i表示第2類(lèi)業(yè)務(wù)第i個(gè)數(shù)據(jù)包的包長(zhǎng)，D3,i表示第3類(lèi)業(yè)務(wù)第i個(gè)數(shù)據(jù)包的包長(zhǎng)，D4,i表示第4類(lèi)業(yè)務(wù)第i個(gè)數(shù)據(jù)包的包長(zhǎng)。

(24)

(25)

Step4利用(26)式來(lái)比較LTE網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和WLAN網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，并得到時(shí)延最小值網(wǎng)絡(luò)。

(26)

Step5基于步驟4，利用(26)式進(jìn)行流量控制的判決。具體算法流程如算法2。

算法2：基于DCMD的流量控制算法

Forz=1: 1:Z

D*=MAX{D1,i,D2,i,D3,i,D4,i};

利用(17)式和(19)式得到dL;dW;

利用(24)式，(25)式選擇各網(wǎng)絡(luò)中時(shí)延最小的點(diǎn);

EL=EL+D1,i+D2,i;EW=EW+D3,i+D4,i;

Else

EL=EL+D3,i+D4,i;EW=EW+D1,i+D2,i;

End If

End for

3 仿真驗(yàn)證與分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為了便于分析，假設(shè)4種類(lèi)型的數(shù)據(jù)包大小分別服從[100,1 000]、[500,1 500]、[200,1 000]和[1 000,1 500]Byte的均勻分布。

考慮LTE網(wǎng)絡(luò)與WLAN網(wǎng)絡(luò)融合的一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，假設(shè)該LWA網(wǎng)絡(luò)中包含3個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)中都有50個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)小區(qū)且一個(gè)AP代表一個(gè)WLAN網(wǎng)絡(luò)小區(qū)。為了保持網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，設(shè)定eNBs和APs都一直處于開(kāi)啟狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)中的APs位置服從泊松分布，UE位置服從均勻分布。宏小區(qū)與WLAN網(wǎng)絡(luò)小區(qū)的路徑損耗模型分別為[23]

PL1=22.7+36.7lg(R)+26lg(fc)

(27)

PL2=11.5+43.3lg(R)+20lg(fc)

(28)

(27)—(28)式中：R為UE與eNB或者AP之間的距離，單位為km；fc為載波中心頻率，單位為GHz。具體仿真參數(shù)如表2。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置表

3.2 對(duì)比方案設(shè)置

為便于仿真結(jié)果對(duì)比與分析說(shuō)明，對(duì)各方案作如下說(shuō)明。

方案1：無(wú)LWA網(wǎng)絡(luò)機(jī)制。網(wǎng)絡(luò)中一直采用LTE傳輸；

方案2：基于比例公平(proportional fairness，PF)流量控制。在eNB負(fù)載過(guò)重時(shí)，不需要考慮時(shí)延的問(wèn)題，隨機(jī)選擇相鄰的AP進(jìn)行資源的分配；

方案3：基于最小時(shí)延(minimum delay, MD)流量控制方案[12]；

方案4(本文方案)：基于DCMD的流量控制方案。

3.3 仿真結(jié)果分析

圖3為系統(tǒng)吞吐量與UE數(shù)目的關(guān)系圖。從圖3中可看出，方案2、方案3和方案4在吞吐量上較方案1中LTE網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)傳輸數(shù)據(jù)所獲得的吞吐量有明顯提升，其主要原因是LWA網(wǎng)絡(luò)中WLAN網(wǎng)絡(luò)將承擔(dān)一部分PDU數(shù)據(jù)包的傳輸，為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)吞吐量帶來(lái)明顯收益。方案3利用最小時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸對(duì)數(shù)據(jù)所得到的吞吐量較方案2有明顯的提升。而所提方案比方案3在系統(tǒng)吞吐量上表現(xiàn)更為優(yōu)異。這是由于對(duì)時(shí)延敏感的數(shù)據(jù)一般都為較小的數(shù)據(jù)包，利用時(shí)延最小的網(wǎng)絡(luò)去傳輸這些數(shù)據(jù)，可以有效地在短時(shí)間內(nèi)傳輸更多的數(shù)據(jù)，提升整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量。

圖3 系統(tǒng)吞吐量與UE數(shù)目的關(guān)系Fig.3 Relationship between system throughput and number of Ues

圖4為邊緣UE總吞吐量與UE數(shù)目(整個(gè)小區(qū))的關(guān)系圖?？梢钥闯?，隨著整個(gè)系統(tǒng)的UE數(shù)目增加，采用LWA網(wǎng)絡(luò)的方案其邊緣UE的總吞吐量比方案1有明顯的提升，方案4邊緣UE總吞吐量較方案2和方案3都有所提升。綜合圖2與圖3可知，所提方案不僅可以增加整個(gè)系統(tǒng)的吞吐量，還可以增加邊緣UE總吞吐量。

圖4 邊緣UE總吞吐量與UE數(shù)目(整個(gè)小區(qū))的關(guān)系Fig.4 Relationship between the total throughput of edge UEs and the number of UEs (the entire cell)

圖5為UE吞吐量大小概率累積分布圖。圖5中有3種相同數(shù)字的線(xiàn)，每個(gè)數(shù)字分別代表宏小區(qū)1、宏小區(qū)2和宏小區(qū)3。同時(shí)設(shè)置在每個(gè)宏小區(qū)內(nèi)，UE數(shù)目為300。從圖5中可以明顯看出，方案4明顯優(yōu)于方案1、方案2和方案3，即所提方案可有效提高單個(gè)UE的吞吐量。

圖5 UE吞吐量概率累積分布Fig.5 Cumulative distribution of UE throughput

圖6為傳輸PDU時(shí)延值概率累積分布圖。圖6中有3種相同數(shù)字的線(xiàn)，每個(gè)數(shù)字分別代表宏小區(qū)1、宏小區(qū)2和宏小區(qū)3。同時(shí)設(shè)置在每個(gè)宏小區(qū)內(nèi)UE數(shù)目為300。從圖6中可看出，采用LWA網(wǎng)絡(luò)方案的時(shí)延值較方案1中LTE網(wǎng)絡(luò)單獨(dú)傳輸數(shù)據(jù)所消耗的時(shí)延值均明顯減小，這主要是歸功于LWA網(wǎng)絡(luò)中WLAN網(wǎng)絡(luò)與LTE同時(shí)傳輸PDU。而采用MD的方案即利用最小時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，其時(shí)延值較方案2也有明顯的縮短。主要原因?yàn)槔?個(gè)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)延最小的網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。所提方案比方案3的時(shí)延值更小，主要原因?yàn)榉桨?只是單一性選擇時(shí)延最小網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)從而造成另外一個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源被浪費(fèi)，而所提方案對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)后，利用時(shí)延最小的網(wǎng)絡(luò)去傳輸對(duì)時(shí)延敏感的數(shù)據(jù)，而時(shí)延較大網(wǎng)絡(luò)傳輸對(duì)時(shí)延不敏感的數(shù)據(jù)，綜合圖4與圖5可知，所提方案不僅可以增加單個(gè)UE的吞吐量，還可以減少時(shí)延值。

圖6 傳輸PDU時(shí)延值概率累積分布Fig.6 Cumulative distribution of transmission PDU delay

圖7為Jain公平性指數(shù)圖。通過(guò)利用Jain函數(shù)來(lái)計(jì)算公平性[24]從圖7中可以明顯看出，方案2較方案1和方案3的公平性更好，而基于DCMD的流量控制方案比方案2更好。隨著UE數(shù)目的增加，LWA網(wǎng)絡(luò)中流量控制的公平性緩慢地增加。對(duì)比可以看出，所提方案可以有效的提高流量控制的公平性。

圖7 Jain公平性指數(shù)Fig.7 Jain fairness index

圖8為UE能量效率值概率累積分布。從圖8中可知，能量效率最高的方案為方案四，較其他方案能有效地提高LWA網(wǎng)絡(luò)中UE能量效率。方案2、方案3和方案4的UE能量效率值比方案1更高，主要原因?yàn)長(zhǎng)WA網(wǎng)絡(luò)中UE使用WLAN網(wǎng)絡(luò)增加了能耗，但吞吐量的提升更加明顯，使得UE能量效率值遠(yuǎn)高于方案1。結(jié)合圖5和圖8可以看出，所提方案不僅在UE吞吐量取得優(yōu)勢(shì)，而且有利用能量效率提升。對(duì)比可以看出，所提方案可以有效提高流量控制的能量效率。

圖8 UE能量效率值概率累積分布Fig.8 Probability cumulative distribution of UE energy efficiency

4 總 結(jié)

針對(duì)由于大量用戶(hù)接入而帶來(lái)的LTE網(wǎng)絡(luò)eNB負(fù)載過(guò)大，導(dǎo)致LTE網(wǎng)絡(luò)并不能保證用戶(hù)QoS需求，且流量控制存在不公平性現(xiàn)象，提出一種基于DCMD的LWA網(wǎng)絡(luò)流量控制算法。相比于以往方案只是單一性將流量控制某個(gè)性能更好的網(wǎng)絡(luò)，從而造成浪費(fèi)另一網(wǎng)絡(luò)資源現(xiàn)象，所提方案通過(guò)利用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，并讓2個(gè)網(wǎng)絡(luò)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的方式的流量控制方案，其更加有利于數(shù)據(jù)快速地傳輸。仿真表明，本文算法不但能有效地提升LWA網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和邊緣地區(qū)UE吞吐量，而且還能有效地減少數(shù)據(jù)傳輸完成的時(shí)間并增加了流量控制的公平性。相比于無(wú)LWA網(wǎng)絡(luò)的LTE網(wǎng)絡(luò)方案和在LWA網(wǎng)絡(luò)中比例公平分配資源的方案，所提算方法能夠提高LWA網(wǎng)絡(luò)的頻譜利用率，保證UE的QoS需求，減輕eNB的負(fù)載，提高用戶(hù)的能量效率。